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Entwicklung von Berechnungsmodellen für die Einschätzung der Auslastung von Entmistungsrobotern
Franziska Albrecht
TUM - Lehrstuhl für AgrarsystemtechnikLfL - Institut für Landtechnik und Tierhaltung
Juliana Mačuhová, Jochen Simon, Bernhard Haidn, Heinz Bernhardt
AKAL 2016 Hohenheim
Gliederung
• Stand des Wissens• Ziel der Untersuchungen• Planzeiten- und Kalkulationsmodellerstellung
• Material und Methoden I• Ergebnisse I
• Berechnung des Arbeitszeitbedarfs für Modellbetriebe• Material und Methoden II• Ergebnisse II
• Schlussfolgerungen
2
Stand des Wissens
• Laufgänge verbinden die Funktionsbereiche Fressen, Liegen und Melken• Bodenbeläge müssen trittsicher, rutschfest und gut zu reinigen sein• DIN EN 12737 für Spaltenböden:
− Auftrittbreite mindestens 80 mm− Schlitzweiten maximal 35 mm, im Fressgang maximal 25 mm
• Klauenerkrankungen gehören zu den häufigsten Abgangsursachen in der Milchviehhaltung
• Auftreten von infektiösen Klauenerkrankungen bei feuchten und verschmutzten Laufflächen (BUCK et al., 2012; PÖLLINGER, 2001; MAGNUSSON et al., 2008)
• Ammoniak kann die Stabilität des Klauenhorns beeinträchtigen • Regelmäßiges Abschieben kann infektiös bedingte Klauenerkrankungen
reduzieren (DÖRFLER et al., 2014)
Gestaltung der Laufflächen und Bedeutung der Laufflächenverschmutzung
3
Stationäre Entmistungssysteme:− Klappschieber− Kombischieber− Faltschieber− Tretmistschieber
Mobile Entmistungssysteme:• personengeführt:− Einachsschlepper− Hoftracs− Traktoren
• Autonom: − Entmistungsroboter
4
Stand des WissensEntmistungssysteme
Entmistungs-roboter
DeLaval RS 420
GEA SRone Lely Discovery Prinzing Pribot 100
Maße (L x B x H) 1430 x 730 x 640 mm Breite ohne Schieber
1050 x 850 x 560 mm Breite ohne Schieber
1285 x 860 x 575 mm Breite mit Schieber
1110 x 1250 x 530 mm
Breite mit Schieber
Gewicht 460 kg 500 kg 303 kg 380 kg
Arbeitsbreite (Schiebeschild) 1,00 m - 1,90 m 1,40 / 1,70 / 2,00 m 0,86 m 1,20 m
Max. Fahrdauer; Ladedauer 18 h; 6 h
18 h; 6 h + 1x im Monat 12 h
4 h (ohne Zwischenladen); 6 h 18 h; 4 - 6 h
Ladestation Bodenplatte Wandpanel Wandpanel, Bodensäule Wandpanel
Orientierung im Stall
Transponder im Boden,
Sensoren im Schiebeschild
Kantensensor entlang von
Führungsschienen
Horizontales Führungsrad,
Encoder, Gyroskop, Ultraschall,
„Stoßpunkte“
Sensoren im Schiebeschild,
Ultraschall
Räum-geschwindigkeit Ca. 4 bzw. 5,5 m/min Ca. 3 - 5 m/min Ca. 10,8 m/min Ca. 3 m/min
5
Stand des WissensKenndaten der Entmistungsroboter
Entmistungs-roboter
DeLaval RS
420
GEA SRone
Lely Discovery
Prinzing Pribot 100
Maße (L x B x H)
1430 x 730 x 640 mm
Breite ohne Schieber
1050 x 850 x 560 mm
Breite ohne Schieber
1285 x 860 x 575 mm
Breite mit Schieber
1110 x 1250 x 530 mm
Breite mit Schieber
Gewicht
460 kg
500 kg
303 kg
380 kg
Arbeitsbreite (Schiebeschild)
1,00 m - 1,90 m
1,40 / 1,70 / 2,00 m
0,86 m
1,20 m
Max. Fahrdauer; Ladedauer
18 h; 6 h
18 h; 6 h
+ 1x im Monat 12 h
4 h (ohne Zwischenladen); 6 h
18 h; 4 - 6 h
Ladestation
Bodenplatte
Wandpanel
Wandpanel, Bodensäule
Wandpanel
Orientierung im Stall
Transponder im Boden,
Sensoren im Schiebeschild
Kantensensor entlang von Führungsschienen
Horizontales Führungsrad, Encoder, Gyroskop,
Ultraschall,
„Stoßpunkte“
Sensoren im Schiebeschild, Ultraschall
Räum-geschwindigkeit
Ca. 4 bzw. 5,5 m/min
Ca. 3 - 5 m/min
Ca. 10,8 m/min
Ca. 3 m/min
40%
15%7%
10%
20%
8%Melken
Füttern
Boxenpflege, Einstreuen,EntmistenHerdenmanagement
Kälber- und Jungviehaufzucht
Allgemeine Arbeiten
6
Stand des WissensArbeitszeitaufwand (in %) für die Innenwirtschaft (nach Mačuhová und Haidn, 2013)
Milchviehhaltung: 53 – 59 APh/Kuh und Jahr, inkl. Kälber- und Jungviehaufzucht
• Personengeführt maximal zweimal tägliche Entmistung (bei Zeitmangel eher noch seltener)
• Gesamtarbeitszeitbedarf für zweimal tägliche Entmistung der Laufflächen inklusive Reinigung der Übergänge:− von Hand: 1,44 bis 1,00 AKmin/Kuh und Tag für 30 bis 60 Kühe− motorisiert und von Hand: 1,43 bis 0,36 AKmin/Kuh und Tag für 30 bis 250 Kühe− Deutlicher Degressionseffekt mit steigender Bestandsgröße
• Einsatz eines Entmistungsroboters kann den Arbeitszeitbedarf im Wesentlichen um diese Werte reduzieren
• Arbeitszeitbedarf für die manuelle Liegeboxenpflege bleibt auch bei Einsatz eines Entmistungsroboters konstant
7
Stand des WissensArbeitszeitbedarf für die Entmistung im Liegeboxenlaufstall
• Bislang keine Angaben zur Auslastung von Entmistungsrobotern in der Literatur
• Durchführung von Zeitstudien und Erstellung eines Kalkulationsmodells in MS-Excel zur Berechnung der Auslastung der drei Entmistungsroboter
• Vergleich: realer Zeitaufwand ↔ Zeitbedarf ermittelt durch Kalkulationsmodelle
• Überprüfung der Auslastung anhand von Modellbetrieben in Abhängigkeit des gewählten Entmistungsroboters, der Bestandsgröße und der zu reinigenden Stallbereiche
8
Problem- / Zielstellung
Material und Methoden I
•Zeitstudien wurden auf dem Niveau einzelner Elemente durchgeführt
•Ermittlung einzelner Elemente und deren Einflussgrößen
•Statistische Auswertung und Erstellung von Planzeiten− Relativer halber Vertrauensbereich bis 10 % angestrebt
• Erstellung des Kalkulationsmodells in MS-Excel
9
Durchführung von Zeitstudien
Entmistungsroboter Prinzing Pribot 100 Lely Discovery DeLaval RS 420
Betrieb A B C D E F
Tierbestand 80 46 65 65 140 120
Anzahl Liegeboxen 86 56 55 65 140 120
Ausführung der Liegeboxen Hochboxen Beides Tiefboxen Tiefboxen Hochboxen Tiefboxen
Anzahl Liegereihen 3 3 3 3 3 4
Anzahl Strecken 2 2 1 2 1 4
Standort der Ladestation
Vorwarte- raum
Außerhalb Kuhbereich
Vorwarte- raum
Stallwand Liege-
box Liege-
box
Arbeitsbreite (Schiebeschild) (m) 1,20 1,20 0,86 0,86 1,20 1,60
Laufgangbreite (m)
Fressgangbreite (m) 2,50 3,50
2,50 3,50
2,10 3,50
2,40 3,40
2,20 3,50
2,60 3,20
Breite Übergänge (m) 2,50 2,50-3,00 2,50-3,00 2,40 2,00-3,00 2,50
Melktechnik Melkstand Melkstand Melkstand AMS AMS AMS
10
Material und Methoden IKenndaten der Versuchsbetriebe
Entmistungsroboter
Prinzing Pribot 100
Lely Discovery
DeLaval RS 420
Betrieb
A
B
C
D
E
F
Tierbestand
80
46
65
65
140
120
Anzahl Liegeboxen
86
56
55
65
140
120
Ausführung der Liegeboxen
Hochboxen
Beides
Tiefboxen
Tiefboxen
Hochboxen
Tiefboxen
Anzahl Liegereihen
3
3
3
3
3
4
Anzahl Strecken
2
2
1
2
1
4
Standort der Ladestation
Vorwarte-
raum
Außerhalb Kuhbereich
Vorwarte-
raum
Stallwand
Liege-
box
Liege-
box
Arbeitsbreite (Schiebeschild) (m)
1,20
1,20
0,86
0,86
1,20
1,60
Laufgangbreite (m)
Fressgangbreite (m)
2,50
3,50
2,50
3,50
2,10
3,50
2,40
3,40
2,20
3,50
2,60
3,20
Breite Übergänge (m)
2,50
2,50-3,00
2,50-3,00
2,40
2,00-3,00
2,50
Melktechnik
Melkstand
Melkstand
Melkstand
AMS
AMS
AMS
11
Material und Methoden ISkizze der in den Zeitstudien gemessenen Elemente
Planzeit n (cmin)
Xmin (cmin)
Xmax (cmin)
Median (cmin)
SD (cmin)
VK (%)
ε (%)
n' Le
ly
Dis
cove
ry
Taktiles Wand Fahren 50 6,18 4,36 7,91 6,22 0,68 11,06 3,14 0
Geradeaus Fahren 36 7,06 5,00 9,62 7,04 1,21 17,17 5,81 0
Sonarfahrt 9 6,53 6,12 7,01 6,49 0,33 4,99 3,84 0
Prin
zing
Prib
ot
100
Taktiles Wand Fahren 41 35,72 29,99 41,82 35,82 3,19 8,93 2,82 0
Geradeaus Fahren 63 36,01 29,23 41,43 35,48 2,30 6,38 1,61 0
Sonarfahrt 8 35,91 34,06 39,57 34,89 2,13 5,92 4,95 0
DeL
aVal
RS
420
1,20
m Taktiles Wand
Fahren 35 17,41 12,00 21,60 17,20 2,34 13,46 4,62 0
Geradeaus Fahren 14 20,82 16,40 25,56 21,40 3,13 15,06 8,69 0
1,60
m Taktiles Wand
Fahren 14 12,89 10,15 16,40 12,44 1,76 13,66 7,88 0
Geradeaus Fahren 6 15,53 11,92 17,69 15,87 2,03 13,11 13,76 10,00
12
Ergebnisse IÜbersicht einiger Planzeiten der untersuchten Entmistungsroboter
Planzeit
n
(cmin)
Xmin
(cmin)
Xmax
(cmin)
Median
(cmin)
SD
(cmin)
VK
(%)
ε
(%)
n'
Lely Discovery
Taktiles Wand Fahren
50
6,18
4,36
7,91
6,22
0,68
11,06
3,14
0
Geradeaus Fahren
36
7,06
5,00
9,62
7,04
1,21
17,17
5,81
0
Sonarfahrt
9
6,53
6,12
7,01
6,49
0,33
4,99
3,84
0
Prinzing Pribot 100
Taktiles Wand Fahren
41
35,72
29,99
41,82
35,82
3,19
8,93
2,82
0
Geradeaus Fahren
63
36,01
29,23
41,43
35,48
2,30
6,38
1,61
0
Sonarfahrt
8
35,91
34,06
39,57
34,89
2,13
5,92
4,95
0
DeLaVal RS 420
1,20 m
Taktiles Wand Fahren
35
17,41
12,00
21,60
17,20
2,34
13,46
4,62
0
Geradeaus Fahren
14
20,82
16,40
25,56
21,40
3,13
15,06
8,69
0
1,60 m
Taktiles Wand Fahren
14
12,89
10,15
16,40
12,44
1,76
13,66
7,88
0
Geradeaus Fahren
6
15,53
11,92
17,69
15,87
2,03
13,11
13,76
10,00
Planzeiten:• Lely Discovery bei allen Elementen mit Abstand die höchste Geschwindigkeit• DeLaval RS 420 benötigt die doppelte Zeit des Lely Discovery• Prinzing Pribot 100 benötigt die fünffache Zeit des Lely Discovery
• Planzeitwert ist der arithmetische Mittelwert, keine Planzeitfunktion mittels Regressionsanalyse
• der relative halbe Vertrauensbereich ε = 10 % wird von den meisten Planzeiten eingehalten− nur bei einzelnen Elementen wird er überschritten,sodass weitere Zeitmessungen für
diese Planzeit notwendig werden
13
Ergebnisse IPlanzeiten und Modellprüfung
Entmistungsroboter Prinzing Pribot 100 Lely
Discovery
DeLaval RS 420 *
1,20 m 1,60 m Betrieb A B D E F Strecke 1 2 1 2 1 2 1 1 Echt-Daten
Gemessene Gesamtzeit (Mittelwert) (min) 34,63 43,56 22,88 29,02 10,90 5,62 65,74 24,81
Anzahl Messwerte 1 1 2 3 7 1 1 1 Minimum - - 22,63 28,90 10,70 Maximum 23,12 29,21 11,14 Standardabweichung - - 0,35 0,16 0,18 - - -
Errechnete Gesamtzeit (min) 33,99 41,09 22,91 27,99 10,64 5,58 65,00 22,57 Differenz Gesamtzeit 1) (min) - 0,64 - 2,47 + 0,03 - 1,03 - 0,26 - 0,04 - 0,74 - 2,24 Differenz Gesamtzeit 1) (%) - 1,85 - 5,67 + 0,13 - 3,55 - 2,39 - 0,71 - 1,13 - 9,03
14
Ergebnisse IPlanzeiten und Modellprüfung
Modellprüfung anhand von Echt-Daten:
Entmistungsroboter
Prinzing Pribot 100
Lely
Discovery
DeLaval RS 420 *
1,20 m
1,60 m
Betrieb
A
B
D
E
F
Strecke
1
2
1
2
1
2
1
1
Echt-Daten
Gemessene Gesamtzeit (Mittelwert) (min)
34,63
43,56
22,88
29,02
10,90
5,62
65,74
24,81
Anzahl Messwerte
1
1
2
3
7
1
1
1
Minimum
-
-
22,63
28,90
10,70
Maximum
23,12
29,21
11,14
Standardabweichung
-
-
0,35
0,16
0,18
-
-
-
Errechnete Gesamtzeit (min)
33,99
41,09
22,91
27,99
10,64
5,58
65,00
22,57
Differenz Gesamtzeit 1) (min)
- 0,64
- 2,47
+ 0,03
- 1,03
- 0,26
- 0,04
- 0,74
- 2,24
Differenz Gesamtzeit 1) (%)
- 1,85
- 5,67
+ 0,13
- 3,55
- 2,39
- 0,71
- 1,13
- 9,03
Ergebnisse
Roboter Prinzing Pribot 100 Lely
Discovery DeLaval RS 420 *
1,20 m 1,60 m
Durchschnittsgeschwindigkeit laut Hersteller (m/min) 3,00 10,8 4 bzw. 5,5 4 bzw. 5,5
Rechnerische Reinigungsleistung pro Stunde laut Hersteller (m²/h) 216 536,64
288 bzw. 396
384 bzw. 528
Durchschnittsgeschwindigkeit laut Messung (m/min) 2,42 13,37 5,21 5,42
Rechnerische Reinigungsleistung pro Stunde laut Messung (m²/h) 174,24 689,89 375,12 520,32
Differenz der Reinigungsleistung pro Stunde 1) (%) + 23,97 - 22,21
- 23,22 bzw. + 5,57
- 26,20 bzw. + 1,48
1) Differenz zwischen Herstellerangaben und gemessener Reinigungsleistung * DeLaval RS 420 mit 1,20 m und 1,60 m Schieberbreite
15
Ergebnisse IVergleich der rechnerisch möglichen Reinigungsleistung nach Herstellerangaben und gemessener Reinigungsleistung
Roboter
Prinzing Pribot 100
Lely Discovery
DeLaval RS 420 *
1,20 m
1,60 m
Durchschnittsgeschwindigkeit laut Hersteller (m/min)
3,00
10,8
4 bzw. 5,5
4 bzw. 5,5
Rechnerische Reinigungsleistung pro Stunde laut Hersteller (m²/h)
216
536,64
288 bzw. 396
384 bzw. 528
Durchschnittsgeschwindigkeit laut Messung (m/min)
2,42
13,37
5,21
5,42
Rechnerische Reinigungsleistung pro Stunde laut Messung (m²/h)
174,24
689,89
375,12
520,32
Differenz der Reinigungsleistung pro Stunde 1) (%)
+ 23,97
- 22,21
- 23,22 bzw. + 5,57
- 26,20 bzw. + 1,48
1) Differenz zwischen Herstellerangaben und gemessener Reinigungsleistung
* DeLaval RS 420 mit 1,20 m und 1,60 m Schieberbreite
• jeweils fünf Strecken:
1. Laufgang nur entlang der Liegeboxen reinigen
2. Laufgang nur entlang der Liegeboxen, Fressgang nur entlang der Liegeboxen, Übergänge entlang der Wand reinigen
3. Laufgang auf gesamter Breite, Fressgang nur entlang der Liegeboxen, Übergänge nicht reinigen
4. Laufgang auf gesamter Breite, Fressgang auf gesamter Breite, Übergänge entlang der Wand reinigen
5. gesamte Laufflächen reinigen
• auf vier verschiedenen Modellbetrieben:
1. 82 Liegeboxen, dreireihig, Melkstand im Stallgebäude
5. 176 Liegeboxen, 2x3 Liegereihen, Futtertisch kann überquert werden, Melkstand separat
11. 211 Liegeboxen, 2x3 Liegereihen, Futtertisch kann überquert werden, Melkstand separat
14. 159 Liegeboxen, vierreihig, zwei AMS
DeLaval RS 420 mit 1,60 m Schieberbreite war nicht Bestandteil der Modellkalkulationen
16
Material und Methoden IIBeschreibung der Modellbetriebe
17
Material und Methoden IIEine Beispielstrecke (Modellbetrieb 1, Strecke 1)
Modellbetrieb Strecke Prinzing Pribot
100 Lely Discovery DeLaval RS 420
(1,20 m) K H K H K H
Modellbetrieb 1 (82 Liegeboxen)
Strecke 1 37,13 33,50 7,14 9,54 19,08 18,27
Strecke 5 160,83 144,45 37,85 50,10 83,35 78,80
Modellbetrieb 5 (176 Liegeboxen)
Strecke 1 97,58 87,17 18,95 24,90 50,40 47,55
Strecke 5 305,63 275,17 76,26 99,72 159,13 150,09
Modellbetrieb 11 (211 Liegeboxen)
Strecke 1 102,46 92,35 19,54 26,35 52,41 50,37
Strecke 5 323,85 293,12 79,40 105,60 167,28 159,88
Modellbetrieb 14 (159 Liegeboxen)
Strecke 1 128,83 110,83 22,67 31,25 64,32 60,45
Strecke 5 321,86 285,63 76,66 96,18 166,01 155,80 K = Zeitbedarf gemäß Kalkulationsmodell, H = Zeitbedarf gemäß Herstellerangabe
18
Ergebnisse IIZeitbedarf (in min) der Entmistunsgroboter in den Modellbetrieben
Modellbetrieb
Strecke
Prinzing Pribot 100
Lely Discovery
DeLaval RS 420 (1,20 m)
K
H
K
H
K
H
Modellbetrieb 1
(82 Liegeboxen)
Strecke 1
37,13
33,50
7,14
9,54
19,08
18,27
Strecke 5
160,83
144,45
37,85
50,10
83,35
78,80
Modellbetrieb 5
(176 Liegeboxen)
Strecke 1
97,58
87,17
18,95
24,90
50,40
47,55
Strecke 5
305,63
275,17
76,26
99,72
159,13
150,09
Modellbetrieb 11
(211 Liegeboxen)
Strecke 1
102,46
92,35
19,54
26,35
52,41
50,37
Strecke 5
323,85
293,12
79,40
105,60
167,28
159,88
Modellbetrieb 14
(159 Liegeboxen)
Strecke 1
128,83
110,83
22,67
31,25
64,32
60,45
Strecke 5
321,86
285,63
76,66
96,18
166,01
155,80
K = Zeitbedarf gemäß Kalkulationsmodell, H = Zeitbedarf gemäß Herstellerangabe
Ergebnisse ll
19
Anzahl Fahrten der Entmistungsroboter pro Tag in den Modellbetrieben
Modellbetrieb Strecke Prinzing Pribot
100 Lely Discovery DeLaval RS 420
(1,20 m) K H K H K H
Modellbetrieb 1 (82 Liegeboxen)
Strecke 1 29 32 121 90 56 59
Strecke 5 6 7 22 17 12 13
Modellbetrieb 5 (176 Liegeboxen)
Strecke 1 11 12 45 34 21 22
Strecke 5 3 3 11 8 6 7
Modellbetrieb 11 (211 Liegeboxen)
Strecke 1 10 11 44 32 20 21
Strecke 5 3 3 10 8 6 6
Modellbetrieb 14 (159 Liegeboxen)
Strecke 1 8 9 38 27 16 17
Strecke 5 3 3 11 8 6 6 K = Häufigkeit gemäß Kalkulationsmodell, H = Häufigkeit gemäß Herstellerangabe
Fahrzeit pro Tag: Lely Discovery: 14,4 hPrinzing Pribot 100: 18 hDeLaval RS 420: 18 h
Modellbetrieb
Strecke
Prinzing Pribot 100
Lely Discovery
DeLaval RS 420 (1,20 m)
K
H
K
H
K
H
Modellbetrieb 1
(82 Liegeboxen)
Strecke 1
29
32
121
90
56
59
Strecke 5
6
7
22
17
12
13
Modellbetrieb 5
(176 Liegeboxen)
Strecke 1
11
12
45
34
21
22
Strecke 5
3
3
11
8
6
7
Modellbetrieb 11
(211 Liegeboxen)
Strecke 1
10
11
44
32
20
21
Strecke 5
3
3
10
8
6
6
Modellbetrieb 14
(159 Liegeboxen)
Strecke 1
8
9
38
27
16
17
Strecke 5
3
3
11
8
6
6
K = Häufigkeit gemäß Kalkulationsmodell, H = Häufigkeit gemäß Herstellerangabe
• Planzeiten und Kalkulationsmodell sind praxistauglich und können für die Bestimmung der Auslastung der Entmistungsroboter herangezogen werden
• Arbeitszeitersparnis (nach MORIZ,2003):Bsp.: 60 Kühe, zweimal tägliches Abschieben der Laufflächen ohne Übergänge− Handschieber (0,8 m): 5,05 AKh/Kuh und Jahr− Einachsschlepper (1 m): 4,44 AKh/Kuh und Jahr− Hoflader bzw. Traktor (2 m): 3,41 - 3,53 AKh/Kuh und Jahr
• Entmistungsroboter: Arbeitszeit nur während Ein- und Umprogrammierung neuer Strecken, Reinigung, Wartung und Behebung von Störungen
• weiterer Vorteil: regelmäßige, häufige Reinigung der Laufflächen gemäß Stundenplan→ Laufflächen sauber und trocken → beeinflusst Klauengesundheit positiv
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SchlussfolgerungArbeitswirtschaftliche Sicht
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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Literatur
Entwicklung von Berechnungsmodellen für �die Einschätzung der Auslastung von �EntmistungsroboternGliederungStand des WissensFoliennummer 4Foliennummer 5Foliennummer 6Foliennummer 7Foliennummer 8Material und Methoden I�Foliennummer 10Foliennummer 11Foliennummer 12Foliennummer 13Foliennummer 14ErgebnisseFoliennummer 16Foliennummer 17Foliennummer 18Ergebnisse llFoliennummer 20Foliennummer 21Foliennummer 22